Analisis acustico del auditorio Javier Barros Sierra de la Facultad de Ingenieria de la UNAM

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(1)/ UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA. ANÁLISIS ACÚSTICO DEL AUDITORIO "JAVIER BARROS SIERRA" DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA EN LA UNAM. T. E. s. 1. s. QUE PRESENTA: JUAN CARLOS ANDREWS GONZÁLEZ PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO. MÉXICO D.F.. JUNIO 2002. TESIS CON FALLA DE ORIGEN.

(2) UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor..

(3) ,. PAGINACION DISCONTINUA.

(4) A mi amada Maestra Gurumayi Chidvilasarianda, por ser la fuente de inspiración y sabiduría que guía mi camino día con día.. A Gabriela, por ser la. fuente de néctar que desborda mi corazón.

(5) A mi amada Maestra Gurumayi Chidvilasananda, por ser la fuente de inspiración y sabiduría que guía mi camino día con día.. A Gabriela, por ser la fuente de néctar que desborda mi corazón.

(6) ¡Gracias Dios mío, por haber puesto en mi vida gente tan generosa! Por Ti y por ellos,. Al tío Manuel por ser el ejemplo a seguir en mi vida, a mi madre por ser mi madre, a la tía Uge y a Mayrita por sus inmensos corazones, a la tía Aída por sus letras y su incansable valentía para llegar a la cima del mundo, a la tía Marta y el tío Alberto por su cariño, bondad y respeto. A todos mis primos por haber sido como hermanos. A Walter Von Thaden, Kevin Irelan y Carlos Martell por ser grandes amigos y maestros en todo lo que uno quiso saber acerca del audio y que nunca se atrevió a preguntar. A Lorena Maza por confiar en mi potencial. A Luis Lojo por siempre dejar una puerta abierta para trabajar juntos en grandes proyectos. A toda la gente de OCESA Teatro por permitirme crecer sin importar los tropiezos. A Jorge Urbano por sus publicaciones magistrales y los mejores eventos de calidad en México, ¡todo un ejemplo a seguir! A todos, todos, todos pero t-o-d-o-s en la SYDA Foundation por hacer de cada momento, uno especial. A Adriana y Karelia por ser las mejores cuiiadas que uno pueda tener. A Laura por su paciencia ante la burocracia y aguantar hasta el final. ... A Anabeli por los fig Newtons, los Sean Cubies y el vino blanco en taza de café. Al Robert por estar ahí hasta que se resuelvan las cosas sin importar que se le haga tarde. A Lorena Solís por sus tamales recién hechecitos y las tazas de chocolate caliente. A Rosa por dejar todo a un lado y a-tender las cosas del joven. A todos aquellos que tan amablemente escucharon mis historias de lafamosa tesis una y otra y otra vez .... Pero qué les puedo decir, es un tema emocionante!. A mi querida Totoapa, por haberme permitido disfrutar de su quietud y su silencio. Gracias a la Madre Naturaleza por rodearla con tan exquisita belleza Gracias a todos aquellos por los que se ha mantenido viva Gracias por los recuerdos que guarda entre sus muros Gracias!.

(7) A todos aquellos que cooperaron desinteresadamente en la elaboración de este trabajo, gracias 1. Ing. Rodolfo Peters por asesorar este trabajo y confiar plenamente en el desarrollo que se le estaba dando. Dr. Felipe Orduña por su tiempo p~~a ~pbyar en la correcdónéltext6 y puli~Io'al máximo. '",,'. . ;-'.,. .:,. ~'. r. .-. :;:";. :~:~«. < "':. ~¡1~~~~~i~0~ifado .•Lect~~m~;.l'f[~ha~e~_in~fi~~,:~ff·1~r~~~.~¡ª~f~~ff1,~'~~··~[~~~~t~~l;ªt:~Iisfs'acústico. ~7:b;~\:'te;".:~~:¡ Íf.,~;lif~~?~1~;~¡~~cii4<>7,'~;!~~¡~~iil~¡~~k~~áda. . .• ;: <4D.'•:;.':;j":·. ;,· ;-::~t: . . . . ·.·. ."', . . . :: ;:'. .. 1. '"~> <~~"i~?:- 0 k , .:~;{ ~"'- ,.3<. en la. : .. i;g _; ·.... :¡.,;:, A don Jorge, Marcos; Eric; don 'Arnulfo y, todos• áquel.los que.~estllvier~n:-.aní;~a¡foy~~do las largas noras de pruebas de me~;i.~i~~i¡e'nel.'~uditorio .'.'Javier Bari¡~s Sieijá~~;-;: i~~~;>;~f:·j~)> 'f. ~;d,~:!~~º nu,hM~ ?1i~::i'1."'+·•e 15an\1n~'."~f¡J~.1;;G~\el;~ié§i.iTO ~e .<iiu¡~ Para ,.,. Departamento de Acústica del Cenfro de; lristrü~entos; UNAM por facilitar el uso de NÍkita. /~~\~ ;.~".,._ ,;-,.~~-~ :-~~-::::'.'.~~~<_)•)". .~~-. .,. '. '. Gustavo Coca parlas fotografías a blíincoy negro de Iós eventos realizados en 1980 en elauditorio. Tía Marta por la. -- ~. com;~~~~o~~ ~grt~~li ih 1: que se pudieron llevar a cabo las pruebas en sitio ;-·· -----·~\--~--·-,,"·~~r '.~~;~';':,--~:~:*~'---~,~:~·~:"'.':.~~:;~::~:.'.-·:-~'.-:. ---·.. - - .. ,.._.-_. -_. º. .. -... Agustín Núñez y A.Iejándra Minéiuj~nopor confiarme la cámara y la impresora; así~inrnás .. .- . -. '~: .· _:·:~:::.. : . .::::_~;._:·;\;,,;;·~~-:;.~:(?~-<~-~~;:: . . J.-\?.:_.:,:'.:/;·- .',.: ,. :· A la Subdirección de IimovacionTecnológica por todo su apoyo técnico.. agradecimie~i() ~~~~Úal~·~.:B~n~t-Inge. ~} co~e-cto. Un Dalenbiick por todo su apoyo en uso de CATT-Acoustic y'éI_'coílJpiirtir tan desinteresadamente todo el material ed~cativo que me ltizo llegar.. .. .. '. Vari Internacional SA de cy proporcionó el micrófono Beyer Dynamic MCE 801 y la bocina Genelec 1029A para las pruebas realizadas en sitio,·.

(8) En memoria del tío Nacho.

(9) Índice. Introducción ............................................................................................. 1 L. Los auditorios y su acústica ................................... .-.......... ,...................... 4 1.1 El oído .............................................................................. :·....: .. ;........ ::·:: ... ;.. ;~; ..... .'............ 5 1.2 El sonido .............................................................. :........ ~·.:.~::;:;;.:~:::·;;':: .. :::::~ ......... :............. 6 1.2.1 Generación y propagación del sonido .................: .. :.:'::.'.:: .......... ;.;;.;; ... ::.: ................ 7. •3 1~:~fdr¿~~~:cr~~~~YI~i;i~~~~'.~~::::::::::::::::::::::::::::::'.'.'.~f~~~f~iff~~'.fül~it~~m;~~i~ifi'.'.'.'.'.:~:::~::::::r~ .. ::.'. ..'...... ,............... 1. 1.3.2 Sonoridad .......................................................... :.. ;.:.:·.. ::::': .. :::~.:;!. 13. '. : ·~ :~I~J:s~sJ;{~ilf~F: : : : : : : : : : : : : ; :i('.iJ~¡:(IJ!(i!',i;!~i;:~t~i:; ;: :i: :;: : : :¡i. 1.4 El habla ............................................................................ ;;;::.:'..~:: ......:::::':;·; ...: .................... 17 1.4. 1 Comprensión del habla o Inteligibilidad ...... , .......... ,'::'.~ .. :.'.. :! .. '..:;.: .. :: ........................ 19. 1.4.1. 1 Enmascaramiento ..................................... :L ............... :..... :: ...................... 20 1.5 Características fisicas del sonido ...................................... :.:'.... ::.... ::: ..·..... '.: ....................... 21 1.5.1 Frentes de onda y rayos ........................................... :':...... ;... ,::·... :: ............................ 21 1.5.2 Reflexión del sonido ............................................ :: ...... ;·............... :.......................... 22 1.5.3 Dispersión .................................................................. :... ,.... :.... ;.............................. 22 1.5.4 Refracción ..................................................................... :..... :.....: .......... : .................. 23 1.5.5 Difracción .......................................................................: ... : .... ::;;;,.:·:L .. ;: ............... 24 1.5.6 Superposición e interferencia ......................................... ::........ ,., .. ,:.....'~.................. 25 1.5.7 Filtros acústicos de "peine" (Comb filtering) ............. : .. ;: .. :::.::;;;;·: .. , ..... , ................. 26 I .G El efecto de las reflexiones: Eco y reverberación ........ : ............. :.:.:: ..... ,.. :·::·...................... 27 1.6. 1 Eco flotante .................................................................. ::: ...... ::::·:: ..;'; ....';: .. ,.. :: .... :..... 28 1.6.2 Transmisión y absorción ....................................................... ,...'.. :::·;;.;:·......... ;....... 29 1.6.3 Difusores ........................................................................... :~': ........ :·;:': ....... ::L ......... 29 1.6.4 Sonido directo y sonido reflejado ..................................... : .......... ;;';;; ... ;; ....: .......... 30 1.6.5 Reverberación ............................................................ :.: .. : ........ :... ::·.;;·.;:;;;·"···.'.;:,: ....·30 1.6.6 Tiempo de reverberación (RT6!1) ····························'.······:·······,··:.':::~:'."::.:e::.':{.:: ... ;.... 31 1.6. 7 Efecto del tiempo de reverberación en la comprensión de hi palabra:::.:: .. ::: ... :: .... 32 1. 7 La música ............................................................................. :.... :.. :: ... :.:'..3!:;;;;: ..:·.:::.::;; .... 32 1. 7 .1 Instrumentos de cuerda .............................................. : ...... L: .. ::.'... '.?:::::!.'.;.'.. L ...... ;. 33 1. 7 .2 Instrumentos de aliento ................................................. ::.:::º:;;:c.:;~';',;;:'L;;:;;.·~~;:;;:.;; 33. :1.:;7.5:! Otros ~s~~~:;~t~~-~~ -~~-~~-~1-~'.~~:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::~:'::~:d~~~~{~(~~f~7::~:·:.J~t::::::::: ~!. sonidos, otros instrumentos .......................... :.... .. ::.:;.:34 '.:;.:;:;~~.;.:-::.'.:i3.:;'.':L:.'.r:~. 1. 7.6 Efecto del tiempo de reverberación y la música .... !:::.'.:.: .. :L:'5~}.::~:i:.!:';;';;;:L ........ :37 1.8 Recintos acllsticos ............................................................ :'.: ... ::::::S:'.';.;.:;:;.:;:•.;:;;::•3.':::·;;; ..:;;;:.. :38 1.8. I. ~~~-i:1.t~s ~:~:~~:sº;aªr~ªc~~l:e~~~~¡;~·::::::::::::::::::::~:E~:/.:{::f~I?(%~:!fü~~::~::,:::~;:::::::::::~:. 1.8.1. 1.1 Medidas para la inteligibilida'd:...:.:·,::::,_;';;;;:.'.;':;.l:L: ..... :.. :,; ..... 39 1.8.1. l. I .1 %ALCons .............. :..... :.. ::,·.~-~L.::;::..:.::: .. ;........... ;: ... ; 39. Juan Carlos Andrews González Obra registrada ante la DIE-UNAM ® 2001. ·- .. ·.

(10) 1.8.2. 1.8.1.1.1.2 STIIRASTI. ............................... ; ...... ;.;.; ....... ;..... ; ..... 39 1.8.1.2 Teatros ..................................................... ;.......... ;: ..... .'.; ......... ·..... L ....·; ... :40 1.8.1.2.1 Claridad de la voz (C 50 ) .................. ;·••••• ~...... ~ .... ;:.. ;:;;.:,,;;;.. ;.'.;;;.41 1.8.1.2.2 Definición (D) ............................ ;o; ••• ;: ........ ~;!.1.~;'!;;:;.~;j¡:,J;;~;;;;:... AL 1.8.1.2.3 Relación de las primeras reflexiones (ERRY: .. :::: ... :: .. ;:;L.'..:., .. 41 1.8.1.2.4 Nivel de sonido de la voz (S) .................. ,... , .. ;.... ;...:., .. ;.;; .........41 Recintos destinados a la música ................................... :..: ... :..'.::'::.:.·.:::,·::·:~';·;:·...':.. '.:: .. .42 1.8.2.1 Sonoridad del sonido directo ..................... :.......... ;...::.·.:;;;::~::(:;';':'.';:;;,,;.Y;~.:43 1.8.2.2 Sonoridad del sonido reverberante .............................~.:;;:::'.';;·;;~:::~·:':.:.·.;·:.'... 43 1.8.2.3 Intimidad acústica (en función de 11 ) ........... ::::: ... ::::.::·;.:~:::•;:;:~~:·::·:.~;.:: •• .'•• 43 1 1 8. ;:~:;:~. g~~~~~1ó:~ ~~-~~-~. .~~. «'.~.::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::;:::·::~2~~::j~:jtffE~:~j:::~::,:::1:·· ::~ :;:~ ~\~~::~ l~~:.~;:s·)::::::::::::::::: :::::::::::::::::::: ::·?::-:::~:/!t~E::~tiff~::~?~:'.::::i::::::· 1.8.2.8 Sonoridad de reverberación (R) .............. :..,::.:.''.:.,;:'.:::::;;::~::.:.:::.::., ... :..... 44 1.8.2.9 Calidez acústica (BR) .............................. ,.:'; .. '.~;::::.;':::f;':::::·::.'........ ,: ..... :.. .45.. ::~:;:: ~ g~~l:~i¿~~~::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::·:::::::::::::::::?·:::::::::::::·::::::::::::1~. 1.8.2.12 Textura .................................................. :........ : ... :.~:.'.. '.·.:: ..·::.. :.. :.: .. .'.; ....... .45 1.8.2.13 Calidad tonal ..................................................... :...... :: ....~::.•.:;:·;.'::,·::: .. :: .... 46 1.8.2.14 Factor de brío (G) .......................................... :.. : .. :~: ... :·~·::..·;:::: .. :::'.:::':....·::.:.'46 1.8.2.15 Tiempo de decaimiento temprano (EDT) ............. :: ...: ... '.:::::;; ..'.:.:;.: .. ;: .. .46 1.8.2.16 Curva de energía reflejada (RECC) ........................... :..... .'...:::'.:::;;·..·.:..: ... 46 1.8.2.17 Eficiencia lateral (LF) ......................................................:: ................... ~46 1.8.2.18 Correlación cruzada interaural (IACC) ........................................ :........ .46 .· 1.8.2.19 Índice de difusión (SDI) ............................................................. : ... :.... , . .46 1.8.2.20 Espacialidad del sonido ............................................................ , ...... '.:: ... .47 .· 1.8.2.20. l Amplitud aparente de la fuente sonora (ASW) ..... :............... 47 1.8.2.20.2 Sensación de sonido envolvente (LEY) .......................... ;.. ~;:'47 1.8.2.21 Uniforn1idad ......................................................................... :.............. ·..... 47 1.8.2.22 Acústica en el escenario ...........................................................:......·.'::::· .... 47 1.8.2.22.1 Inmediatez de respuesta (attack) ...........................:.:.. ::, ..... : .. 47 1.8.2.22.2 Balance ................................................................. :::::;:~.:.:.:: . .47 · 1.8.2.22.3 Integración (blend) ...................................... '. ........ :.::~.:;.:~ ..':;~.47 1.8.2.22.4 Unidad (ensemble) ......................................... :;: ... :~:~ ...: .........47 1.8.3 Salas de cine ............................................................................. :...... '.:·,;;:~;?.'.. ~ .... :.~ .. 48 1.8.4 Espacios multifuncionales ............................................................ :.::: ....:::n:~::.~ 49 1.8.4.1 Modificación por medios arquitectónicos ................ .'.. ::t;:·'.:~:u;:;:::.·., .....~'..Sl 1.8.4.2 Modificación por medio electrónicos ················:··'.'.'. .... '.L.':".':.:r.,.:.:: ... :... 52 1.9 Valores recomendados en parámetros acústicos ......................... ,:::::·.:::~:::.'J;;;:~·:~... :', ..... '.: .. 53 1.9.1 Para recintos destinados a la palabra .................................... '.::'.~::::~;·:::::.:.:'.::.L ........ 53 1.9.2 Parámetros para recintos destinados a la música ............. ::'.:::;~~:.'.i~::·:.: .... ,;'I.: •• ,........ 54 1.1 O Ruido en un recinto ................................................................. ::.: .. ~:·,:,;;.';:.::::.:;;:; .. ;,;: ..... ;. 57. ........ s~~:n~~ ~;i~e1~e~~d~o~;~:::::::::. :::.:::::::~~::~:~~:~:ff:::'.ji~:::~:::::::::~~. 1 1.11. :: ::: :::: :: ::: ::: ::: : ::: :::: : : :: :::::::: 1.1 1.1 Parámetros a medir en una sala con refuerzo sonoro ... :... , .. :::.'.;~~:'.'.:'.'.:'::C:f~:::::•.:''.:.:·:;. 59 1.11.1.1 Ancho de banda útil ................................ :... ::... :: ....:'.'.'. ..:'.~:'...':'. ...'::::.:.:'.;: ...... 59 1.1 1.1.2 Distorsión armónica total (THD) .......... :.: ....·:: .... :.: .. :::::::;:;;·::::... : .... :.... :.:: 59 1.1 1.1.3 Distancia Crítica (De) ......................................'..'............. : .... :.................. 60. Juan Carlos Andrews González Obra registrada ante la DIE-UNAM ® 2001. ii.

(11) Análisis ............................................... , .. , ... .Í;'i'.:;;,;·J:.·:: ••• :;: .•• : ••·•• :·•••••••••..•••• 61. 11.. 2.1 2.2 2.3 2.4. Breve historia del auditorio "Javier Barros Sierra" de la Fac:'dé Irigenierlaten la UNAM 62 Descripción física del recinto .................................... :: .. ;.;; .......... ."; .. :.: ..... :.. ;·: ................... 67 Criterio de ruido ........................................................................ ;".'. ..... ;..... ::·.'. ................... ,70· Métodos de análisis ........................................................................ ."........... :: ............ ; ... : .. 71 2.4. l Por cálculo matemático ............................................................. :.. :.1.'; •• (:.X:.~ ..':......... 73 2.4.1. l Ventajas y desventajas del método matemático ............... :;.:;'.:::::::?.'.':~.;~;f:,.73 2.4.1.2 Procedimiento para efectuar el método ....................... :: ........ :'..'. . .'; ........... , 73 2.4.1.3 Resultados obtenidos por este método ................................ :.................... 73 2.4.2 Medición en sitio con un programa de cómputo .................................................... 80 2.4.2.1 Ventajas y desventajas del análisis en sitio ..................................... : ......... 80 2.4.2.2 Procedimiento para efectuar las mediciones con computadora................. 80 2.4.2.3 Respuesta de la sala con emulación de un solo emisor ............................. 81 2.4.2.4 Respuesta de la sala con el sistema de sonido del auditorio ..................... 88 2.4.3 Predicción con el programa de cómputo ................................................................ 98 2.4.3.1 Ventajas y desventajas de la predicción con el programa de cómputo ...... 98 .. , · 2.4.3.2 Procedimiento para efectuar la predicción con el programa de cómputo .. 98 2.4.3.3 Predicción de respuesta con emulación de un solo emisor ... , ..... ;. .'....'.'..!: .. 99 · 2,5 Comparación entre los métodos utilizados ................................................... ; ....... : .......... 108 . 2.5.1 Observaciones a la comparación de los tres métodos ............................ :....'..':". ........ 111 2.6 Resumen de los parámetros obtenidos para el auditorio "Javier Barros Sierra".::. .': ......... 111. III., , Propuesta .......................................................................................... ,... ~ 114 3.1 Estadística de tipo de eventos que o·curren en el auditorio "Javier Barros Sierra" .... :... '.·., 115 3.2 Sugerencias para el mejoramiento de los parámetros acústicos ......................... , ........ ;,;;; 116. 3.2.1 Propuesta de solución a los problemas de ruido de fondo ............ :.... :..... '. ..': ........:..:J 16 3.2.1. l Sistema de ilwninación .................................................... :.:.:.::::.~·:~;;:;:.L. Ú 7 3.2.1.2 Ruido debido al exterior ........................................... .'.: ..... .'.. .'.~'.:: .... :::;~.;;;;; 118 3.2.1.3 Sonidos debidos al sistema hidráulico .............................. :.... ::,'.:,;:.;~:~:.;.:.120 3.2.1.4 Ruido debido al sistema de ventilación .......................... :.·:.~::.~.:.,:.. ::~::.:.,.120 3.2.2 Propuesta de mejoramiento de los parámetros acústicos ............ :: .. :.... ~:.:.;::.:....... , .. 122 · 3.3 Sugerencias de carácter conceptual ...................................................... :.. , ..... ~ .... .,:., ......... 126 ' ' .._,,, ,. . ... .. ' ' . ' .. '. IV.. ~. ':. Audio. Conceptos básicos y propuesta para un sistemá d~iefu~tzc/sonoro 130. 4.1 Componentes de un sistema de refuerzo sonoro ............................ ;... ;; ....}.i .. ~;:.• ::.~·; ....... ;.131 4.2 Parámetros a considerar para sistemas de refuerzo sonoro instalados .. ; .. ; .. ;.;...'. .....:: ........ 131 4.2.1 Atenuación de la señal conforme a la distancia ............ ; ...... ;;.;;,;; .. ;.'.; ..~:.:; .....'.......... 131 4.2.2 Ganancia Acústica ..................................................................... ;.... ·.. :.:.. :.. :.. :.......... 132 4.2.3 Efecto Larsen y Ganancia acústica potencial (PAG) .. , ... " .. ;.. ;.; ..... ;·;; .• ,,.,;~{.~.; ..:~.; ... 132 4.2.4 Número de micrófonos abiertos (NOM) .............................................. :................. 132 4.2.5 Margen de estabilidad de realimentación (FSM) ..... :......................-,i •• ,.;,.",·':"'":.. : ... 132 ·/ 4.2.6 Relación señal a ruido (SNR) ................................ : ............~ .. ::::.. :,:: .. :.'.'.:::.,::::;~., ... 132 4.2.7 Headroom (rango de seguridad) ............................... :...... : .. ::,... :.:.;.~~'.: .. ::::::~:.'.... ;.:, ... 133 4.2.8 Distancia acústica equivalente (EAD) .......................... :.. :.::: .. :::.:.:~·.:.:::~:,::::;.~ .. ::.. ;... 133 4.2.9 Ganacia acústica requerida (NAG) ...................... : ... : ........ .'.'.'.~.'.'.';::.::t::~;'.:::::: 133 4.2.1 O Potencia eléctrica requerida (EPR) ........................ :..... ::::.:.~.'.:.:.::::.::::: .. :.::·: .. :.::-... 134 4.3 Reverberación y siste1nas de refuerzo sonoro .................................................................. ·135 4.4 Lineamientos de equipo para sistemas de refuerzo sonoro ..........::··::·:.~·:'.:W.l:·~-,:;¡-:;:¡¡:,".:--· 135 4.4.1 Altavoces .................................................................................................... ." .......... 135 Juan Carlos Andrews González iii Obra registrada ante la DIE-UNAM ® 2001. ... :.: .....

(12) 1.,... .. 4.5.. 4.4. l. l 4.4.1.2 4.4.1.3 4.4. l .4 4.4.1.5. Ancho de banda ............................................... ,, .. ,, .... , ... , ..... ,, .... ·...:;,;.':;,,, ... :... 136 Directividad (Q) ...................................................'. ................ ~.'.........-.: ......... 136 Capacidad potencial ....................: ... :::.,,.:;.,·.:.:::,::.~..,... :.,::·.. ,~:;~.~;:: ..:.,·..;..:,.;.,:, .. 137 Elección adecuada según el espacio ......................... ~ ................ , ....... ;,,;; .. 137 Ubicación de bocinas y el factor N ..................... :.••. :·.. :·.... , ..... : ..:::: .. ;.; .. ;~ .. 137. ~Í:t;m~~!i~~=~~::~ :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::~~'.'.'.:~:::;~:i:·:·:-::~::.:~::::::::~::::::::: ~~~. 4.5.1 Conjuntos de bocinas ............................................ , .......... , .... ;.. ;.......,: .................... 139 4.5.1.l Conjunto central (Central cluster) ......................1 .......... ; .. :.,...................... 141 4.5.1.2 Conjunto central distribuido ................................. , ......,. ............ .,.....-. ......... 141 4.5.2 Arreglos de bocinas separadas o distribuidas ................................. ;....................... 142 4.5.2.1 Separados de punto de origen (Split point source) ..... ; ....... :..................... 142 4.5.2.2 En paralelo ............................................................................................... 142 4.5.2.2. l Arreglo estrechamente separado .............. ;................................ 142 4.5.2.2.2 Arreglo ampliamente separado ....................................;.,; ......... 143 4.5.2.3 En cruce de fuego, separados con punto de destino (Split crossfire) ........ 143 ,. 4.5.2.4 Sistemas distribuidos de columna .................................... , ... :................... 144 4.6 Microfonía ................................................................................................................ 146 4.6.l Diseño y uso .................................................................. , ...... , ....... ; ........ , .... :.-.. ; .. ;~... 146 4.6.2 Tipo de emisor y patrón de recepción .................................... , ...... , .. :.. ;.::::.._::,.. ::.:: .. 148 4.6.3 Micrófonos inalámbricos ............................................................................. ,... :.-.. :... 152 4.6.3.1 Ancho de banda de transmisión....................... :.............. ::.::.·.:::::::::.•. .'.. : ... 152 4.6.3.2 Selección de frecuencia ........................................................................... 153 ,' • _,. .. " • ' i , ' _. . ... 4.6.3.3 Antenas de recepción ............................................ :.. :: .. :.... ::·:.~;:-:::·.·.•.:·:.: ..·... 153· · · ~. ~::i~:cT~~~~e!:~i;i~~~~.:::::::::::::::::::::::::::::·:~::::·:?:::::::::·::::::::::·){~:n:~::·:):~::~::: ~;!. 4.6.4 · 4.7 Propuesta de diseño de audio para el Auditorio "Javier Barros'Sierra"; .... :;::•:.:;.:.. : .....:·......... 154 4. 7.1 Metas del diseño ..................................................... :.:......... :... :.................................... 155 4.7 .2 Características prácticas de diseño ....................................... '. .... :.... ~ .. :.. ;:.:: ................... 155 4.7.3 Ubicación de bocinas ............................................. ;...... :: .... .'.......... :.. :.......................... 158 4.7.3.1 Procedimiento utilizado para el sembrado de bociriru;-::::;:;·: .......... :..................... 159 4.7.3.2 Justificación del diseño .................................... :......... :.. :..... :.;;............................ 161 4. 7.3.3 Efectos sobre los parámetros acústicos que pueden ser· afectados por el diseño . 162 4.7.3.4 Consideraciones técnicas del diseño ................................................................... 163 4.7.4 Microfonía para el auditorio ................................... ;~;'. ... ·;,;,;,;................. : ...................... 166 4. 7.4.1 Distancia entre la fuente y el micrófono; ...... :....... : ........ :............ ; .. ;; ... ;,.:,.:.; ........ 166 4. 7.4.2 Colocación "por arriba" ................... ;.;.:.; ........ ;.. ;................................ ;; ..·: .... : .. , ... 167 4. 7.4.3 En el campo reverberante .................... :-;;;; .. ;.:.: .. ::.. :..............'.; ..... ~ ............ .'.......... 167 4. 7.4.4 Cancelaciones .................................................................... :.... ;;; .. ~·;.'.: ........': ......... 161 4. 7.5 Diagrrunas de conexión del sistema........... ;;.;.. ;... ;;;,;... ;; .. .'.:1.:;; ... : ... : .•. , ........ ; ..... ;';......... 168. V.. Mantenimiento y calidad de servicio ... :'~;;; .. ;~:... ;.;'.¡.iu.::;;~.: 1~.:.:;:;:'!:~: ...... : ....... 169 5.1 Mantenimiento de materiales ............................. .'.:.:.: .. :;·::·::.'.'.....;.:::.::.;;;;',';;;;.:';:;.::.. ::.i: ......... 170. !:! ~~1~~~~.;:~~'.=::::::::::::::::::::::::;::::::;:;,,::~~&mtt/'l?':::~:¡gt\]if;i¡it':f::~:f: : : : :¡~~ .;. :-~~ ~:-«.,¡·.··;·:r..i~i _;~~~:;. ;'.;_{~t«..1:'1:.. ·-;. rf. ~'.. ,•. .. Conclusiones ....................... :..... ~: ..... ::;:::.·:·:'. .'.'. :::.:'. .. '.: :::.'... :'.'. :.''.'..'..~·.'::'.:·'..~::: .·.. :.. 174 .;. Juan Carlos Andrews González Obra registrada ante la DIE-UNAM ® 2001. .:[(. :·;.{_,,..:. iv ... !. ··~. ,f;. ,.;f.

(13) Anexo 1 ................................................................................................. 180 Anexo 2 ................................................................................................. 183 Glosario ......................... -; .. .°; ••• ;~ •••••••••••••••••••••• ;; ••••••••••••••••• ; •••••• : ••••••• ~ ••••• 186 Referencias ................................................... ;........................................ 188 Bibliografía............................................................................................ 189. Juan Carlos Andrews González Obra registrada ante la DIE-UNAM ® 2001. V.

(14) El ténnino audio se refiere a señales de sonido que son procesadas dentro de eqúipos electrónicos. La acústica trata con señales de sonido que viajan en uiz medio como el aire o el agua, y observa su interacción con éste.. Introducción. j_.

(15) . Desde todos de los tiempos, la humanidad ha percibido su alrededor con los cinco sentidos. A través de ellos ha experimentado placer y dolor, así como la oportunidad de comunicarse e interactuar con el mundo que le rodea . . El- oído es la ventana por la cual el sonido entra a nuestro cuerpo, permitiéndonos escuchar sonidos en toda dirección. Aún con esta gran cualidad que el sentido de la audición tiene, la vista es considerada qui7.á el más importante de los sentidos de percepción y con ello ha capturado gran parte de nuestra atención. Si algo enamora nuestra vista, es probable que nos sintamos atraídos por dicho objeto, y las más de las veces pongamos de lado nuestro sentido común y obremos en función de lo percibido por los ojos. En la mayor parte de las culturas, el oído ha formado una estrecha relación en función de la vista. El campo visual, limitado hacia el frente demuestra que, si deseamos ver a espaldas nuestras, tendremos necesariamente que voltear. Si escuchamos un sonido de alerta de la misma posición, la reacción inmediata es girar para ver cuál ha sido el origen de éste. Parece ser entonces que el oído se ha vuelto una herramienta receptora de mensajes íntimamente ligados a la vista más que quizá, cualquier otro de los sentidos del cuerpo humano. Si cerramos los ojos y nos enfocamos en el sentido del oído, seremos conducidos a la experiencia del sonido por el sonido mismo, y descubriremos que no somos cortos de escucha. La capacidad natural del oído humano en relación con la percepción del espacio es tal que, si nos volvemos consientes de ella, podemos definir la posición y la distancia de una fuente sonora sin el auxilio de la vista. Cuidamos nuestra vista de luz intensa poniéndonos gafas o entrecerrando los ojos. Quizá porque no podemos cerrar los oídos es que no ponemos la necesaria atención a su protección. Toleramos todo aquello que a ellos penetre. desde el ruido constante del tráfico hasta aquellos sonidos de gran nivel de presión que pueden llegar a dañar para siempre este canal de recepción. Perdemos el sentido del oído al paso de los arios porque no sabemos cómo cuidar de él y porque quizá tampoco nos damos a la tarea de investigar su funcionamiento. Se puede decir que un sonido juega con su movimiento -con gran dinamismo suena muy fuerte en un momento y al siguiente se ve acallado en quietud. Se escabulle a través de la grieta de un gran muro para salir del otro lado, o toca la superficie de un asiento no ocupado de una sala de conciertos y se pierde por completo en su absorción. Permitirnos observar cómo es que el sonido es capaz de hacer todo esto y que nuestros oídos puedan notar los distintos aspectos que le caracterizan es como maravillamos con nuestros propios ojos del colorido de un arco iris, del efecto del brillo del sol sobre una superficie de agua, o del asomo de la Luna en la obscuridad. Escuchar puede ser un deleite. y hacerlo en el espacio adecuado es aún más agradable a nuestro cuerpo. Hemos sido tolerantes de las condiciones acústicas inadecuadas de un recinto, primordialmente por nuestra capacidad de adaptación al medio que nos rodea. Sin embargo, si el recinto puede ser mejorado, la tolerancia no será requerida si la acústica es la adecuada para dicho espacio. El Hombre crea espacios para su utilidad y el deleite de su belleza. Desdichadamente esta última ha sido primordialmente de carácter visual, dejando al sonido en segundo término. Usamos paredes. cortinas y otros materiales para que el espacio se vea bien y muchas veces olvidamos su efecto en la acústica. Incluso construimos habitaciones y recintos con materiales económicos que de raíz pueden ser un problema al permitir la entrada del ruido del exterior, literalmente invadiendo el espacio. Conocer el comportamiento del sonido nos permite explorar y redimensionar el espacio que nos rodea ya no nada más en función de su utilidad, su belleza y su potencial acústico. La meta ideal bajo este concepto es integrar la Acústica y la Arquitectura para embellecer un espacio íntegramente.. 2.

(16) El objetivo de esta tesis es presentar una introducción del concepto de la acústica a lo largo del primer capítulo y a través de ello, poder fomentar un criterio en la evaluación de recintos destinados al deleite del sentido del oído. Este caso en concreto es el del Auditorio "Javier Barros Sierra" de la Facultad de Ingeniería en laUNAM. Si bien no se pretenden evaluar absolutamente todos los parámetros existentes para una sala de conciertos, si existe un acercamiento a aquellos considerados los más importantes para un recinto de uso multifuncional. Un auditorio escolar hace las veces de teatro, de aula, de taller de danza, de cine, y de un sinfin de actividades, además de las conferencias que ahí se puedan impartir. e:;:. •; ·_,é:; - · La intención es investigar en el Capítulo 2, si el auditorio cumple o no, con los;parámetros-·que.en. conjunto le pueden dar una buena calidad acústica. - •' :, , · , '< · "' :¡:f: -;-,;:; ,:~r:)1.w·;,,: ·>·;, . Losmétodosutilizadosparaesteanálisisson: · ·> ·' · .-,,., -·' "'-.~ ,_¡, '.;1:.~·,, ...,_ -'•:f?\·.•-;J¡·,'i;, )o-El cálculo a través de las fórmulas clásicas, -: :·_:'·.~.'. if,;, r~;,,,.,f:,·i·~·:,¡~:; :,1:·,-¡J. '"' ... , · )o-Por medición en sitio con el auxilio de un programa de có01ptit.o•: Y<·< ·:·.e J ,-_Y:-:· .,., : ; _, . )o-- A través del análisis de un modelo virtual del auditorio gen'eradoipcircompuiaélorá, pudiendo además predecir diversas posibilidades. ,, :~:.:; -~:( '-';;~ f•::-iir/?/:f:}:ii'!i•:ii:Rí;-¿;~;: "" , .· . ··. ~ -~:t:r-·· . . /3 -·'{'';-'~· ;.;')'·/'·: {:,~-,:-'. ·. -~·· Es en función de estos resultados que se determina, en- el tercer capítul~,j~ necesidad de un cambio elemental en la estructura fisica del espacio y poder mejorar los valores obtenidos. pór el anÍílisis· acústico del recinto. Cosas tan elementales como la reducción del ruido en el interior del recinto se hacen presentes en esta propuesta de cambios. Con el auge de la modernidad en nuestras vidas, y la posibilidad de amplificar el sonido natural reproducido por una fuente emisora, se han podido trascender las limitaciones fisicas del recinto llevando el sonido a los escuchas a través del uso de bocinas. La función más elemental de estos sistemas ha sido la de reforzar el sonido natural y la reproducir de material grabado. Sin embargo, esta tarea tan sencilla no siempre se lleva a cabo con éxito. Un sistema de sonido puede estar compuesto de una gran red de equipo y uno debe comprender los principios básicos de la acústica del espacio además de poder interactuar con el curso del evento mismo. La falta de conocimiento en el uso correcto del equipo puede contraer efectos negativos alterando el sonido original una vez que es procesado y amplificado. Con esto en mente, el Capítulo 4 se dedica a una introducción al tema de Audio para compilar la teoría básica, así como a una propuesta en la instalación de un sistema de sonido que apoye los requerimientos primarios para las actividades del auditorio "Javier Barros Sierra". Cualquier persona que tome asiento en un recinto, debe recibir el mejor de los tratos, y no únicamente en el sentido humano, sino también en el aspecto de calidad del evento al que asista. Una serie de sugerencias en tomo a la elevación de la calidad de un evento son presentadas al final del texto. Una de las características innatas en el hombre racional es entender causa y efecto. Una persona que brinca de una cierta altura hacia el suelo, sabe que va a caer sin tener que conocer las fórmulas matemáticas de la ley de la gravedad. Es bajo esta premisa que se rige este trabajo, la intención es que quien lea esto comprenda conceptos y no tenga que comprender forzosamente su formulación matemática. 1 Se pretende que este texto, con todas sus páginas, logre transmitir la importancia que tiene el sonido en nuestras vidas y siembre una semilla de conciencia en el campo de la Acústica y el Audio para quien lo lea.. 1. Quien desee revisar las fórmulas matemáticas, puede hacerlo en el Anexo l. 3. -----------. ------------~------~. -.

(17) Capítulo Primero Los Auditorios y su acústica.

(18) En nuestro andar por la vida, los sonidos que escuchamos se vuelven una parte muy importante de nuestra relación con el mundo. Desde pequeños reconocemos la voz de nuestros padres, algunos sonidos nos ponen en alerta ante el peligro, y otros tantos nos tranquilizan e incluso nos permiten conciliar el sueño. Sentados frente al televisor, con imagen y sin sonido. ¿Qué tanta información comprenderemos? El sonido que acompaña la imagen es fundamental para captar de mejor manera lo que estamos viendo. Encendemos la radio y nos deleitamos con la música que podemos escuchar y nos dan ganas de escuchar en vivo, en la sala donde se está llevando a cabo el evento. También comprendemos la trama de una obra de teatro cuando podemos entender claramente las frases del actor y cómo las emociones se exaltan cuando la música les acompaña. ¿Y qué decir de cuando podemos escuchar en un auditorio un concierto en el que se escucha no nada más el sonido de los instrumentos sino que además el espacio mismo hace de las notas musicales aún más bellas? Todo ello nos lleva entonces a generar un par de tantas reflexiones: ¿Qué sería de nosotros si no tuviésemos oídos para escuchar? ¿Y qué tipo de comunicación podríamos desarrollar si estuviéramos faltos del habla? Ahora bien, ¿cómo es que podemos escuchar?. J.l El oído Nuestro mecanismo auditivo es un sistema que envuelve otros tantos. El cerebro y su manejo en la información auditiva es quizá el menos comprendido. Parte de este sistema es metabólico, ya que nuestro aparato auditivo es un sistema vivo. Al oído humano se le considera por lo general, dividido en tres partes: oído externo, medio e interno. El sonido es recibido y modificado por la primera parte del oído externo, llamado pinna, y dirigido al canal auditivo o meato acústico externo. Las ondas llegan, a través de éste, a la membrana timpánica o tambor que reproduce fielmente la frecuencia del sonido. El otro lado del tambor corresponde al oído medio o caja del tímpano donde los huesecillos martillo, yunque y estribo transmiten las vibraciones de la membrana timpánica a la ventana oval o vestibular para hacerlas llegar al oído interno formado por la cóc:lea. Canal Aldrtivo. Temporal. Main:mo. Canales Semicirculares. Nervio. Estnbo. trompa de &Jstaquio. Fig. 1-1. 5.

(19) La presión del sonido en el líquido de la cóclea, al otro lado de la ventana oval, aumenta de 30dB a 40dB sobre la presión de aire que actúa en el tambor gracias al sistema mecánico del oído medio. La ventana oval es relativamente flexible a la liberación de presión, permitiendo que la energía del sonido se transmita al líquido interno a través de la ventana vestibular. En la cóclea existen varias membranas: tectorial, de Reissner y basilar. En esta última se encuentra apoyado el órgano de Corti que contiene unos filamentos que transforman el movimiento relativo entre las membranas tectorial y basilar en pulsos nerviosos hacia el nervio auditivo. La energía y la frecuencia de las vibraciones de estos líquidos se transmiten al órgano espiral o caracol donde se hallan los filamentos nerviosos que, al ser estimulados, originan los impulsos nerviosos que han de llegar hasta los centros auditivos del cerebro. La teoría de la resonancia de Helmholtz (ca. 1863) dice que el caracol es el analizador del sonido y que las cerca de 25,000 fibras de la membrana basilar actúan como resonadores. 1 Estas fibras son de longitud variable; miden alrededor de l 30micrómetros en su base y alcanzan unos 275micrómetros en el vértice del caracol. Nervio coclear. --.¡....,."-">.->~-1-. Escala vestibular Perilinfa. _......,,........._ Escala media. ~:;~~~~~~~~= ~. Endolinfa r-..tembrana tectorial Células pilosas l'v\?mbrana basilar. :.;:-.i!"""-------1-+-+_ _......,,..__. Nervio coclear __.._ Escala timpánica Perilinfa. Fig. 1-2 Bien, ya sabemos ahora cómo se conforma esta pieza tan importante que nos ayuda a andar por la vida reconociendo sonidos. Y entonces ¿qué es el sonido?. J.2 El sonido Al sonido se le considera con una doble naturaleza: • Una vibración mecánica de un medio, tal como el.aire, de material denso y elástico, capaz de producir una sensación auditiva. • La sensación auditiva como resultado de la estimulación de nervios de la corteza auditiva en el cerebro debida a una vibración mecánica que se propaga a través de un medio elástico o denso.. 1. MILLER, MARJORIE A., et. al. "Manual de Anatomía y fisiología" Pág. 321. 6.

(20) Existe una pregunta filosófica conocida por muchos que dice: 'Si;un árbol se cae en medio del bosque y nadie lo escucha, ¿éste produce algún sonido?' 2 Las respuestas pueden ser varias a esa única pregunta y se le puede abordar desde diversos puntos de vista: La Física nos puede mostrar el mecanismo por el cual el disturbio se propaga por el aire, y si esa es la definición que tomamos para el sonido, el árbol cayendo no necesita testigo alguno. Sin embargo, en este caso tenemos que, para esta rama de la ciencia, no existen límites en la frecuencia ni en sus niveles, y éstos deben ser tomados en consideración para nuestro caso. La Biología, nos puede decir que el oído tan solo responde a un rango limitado de frecuencias determinado además por el nivel de umbral que exceda. Si tomamos esta definición como buena, entonces la situación se simplifica bastante, ya que la reproducción del sonido que llevaríamos a cabo con instrumentos y equipos electrónicos debe corresponder únicamente a niveles y frecuencias que el oído pueda detectar. La psicoacústica puede describir cómo nuestra percepción auditiva tiene una resolución finita tanto en tiempo como en frecuencia tal que, todo aquello que percibimos es en realidad una impresión inexacta. Algunos aspectos del disturbio no pueden ser escuchados por el ser humano y son definidos como inaudibles o enmascarados. El sonido se puede analizar desde el punto de vista netamente. fisico, desde el punto de vista psicoacústico o una combinación de los dos. Del primero, se pueden llevar a cabo una serie de métodos con análisis vectoriales, aplicaciones de series de Fourier, diagramas de Nyquist y obtener una serie de resultados matemáticos muy interesantes. En la psicoacústica en cambio, se analiza el comportamiento y reacciones humanas ante ciertos sonidos. Sin embargo, la práctica acústica no se centra completamente en uno u otro análisis. Lo que nos concierne es la relación de la acústica del recinto, su efecto modificado por el espacio mismo y los equipos utilizados. Una vez analizado este aspecto, no podemos olvidar que habrá alguien escuchándolo, de modo que debemos saber cómo llega finalmente el sonido al que lo percibe. Un estudio de la resolución limitada del oído, demuestra cómo algunas combinaciones de tonos son placenteras mientras que otras son muy molestas. La música ha evolucionado empíricamente para ahondar en el primer caso. Y aún así, seguimos teniendo un conflicto para poder explicar porqué disfrutamos de la música y porqué algunos sonidos nos hacen sentir alegres y otros nos pueden llevar al llanto. Y éstas, son características deben estar presentes en la reproducción del sonido. 3. 1.2.l Generación y propagación del sonido Para que un sonido se pueda transmitir de un s1t10 a otro, se requiere de un medio que comprenda elasticidad e inercia. El aire, agua, madera, concreto, acero, vidrio, entre otros, cumplen con estas características. Es debido a esta cualidad que el sonido no se puede propagar en el vacío. La generación del sonido tiene lugar cuando una fuente sonora, tal como una cuerda de violín, las cuerdas vocales, o un tambor, entra en vibración. Cuando una partícula de aire es perturbada por este fenómeno, transmite su momento a la siguiente partícula, regresando -al cabo de oscilar en su espacio- a su posición de equilibrio, a esto se le conoce como propagación de la onda sonora. Ante la vibración del diafragma de una bocina, las partículas de aire próximas a su superficie se acumularán, formando una zona de compresión al desplazarse hacia fuera. Por el contrario, cuando el diafragma 2 3. WATKINSON, JOHN, "The Art ofSound Reproduction" Pág.. 74 ibid. 7.

(21) se. desplaza· hacia adentro, las partículas se separan, creando una zona de enrarecimiento. Este efecto, será transmitido a las siguientes partículas de manera longitudinal, es decir perpendicularmente al plano del diafragma. La compresión de partículas de aire constituye un incremento en presión con respecto a la presión natural del medio. La rarefacción o enrarecimiento constituye una disminución en la presión con respecto a la normal. Como este efecto ocurre dentro de la gran masa de aire que nos rodea, los cambios ocurrirán dentro de la presión atmosférica en particular. Las modulaciones en realidad serán bastante pequeñas. El sonido más débil que el oído humano puede percibir es cercano a los 20 µPa y equivale a una cinco mil millonésima parte de la presión atmosférica. En cambio, el sonido más intenso que el oído humano puede soportar es de 1OOPa. 4 Si para medir la presión que el sonido provoca utilizáramos un rango tan grande de medidas, la situación sería un poco compleja así es que se determinó algo más práctico. La relación entre el sonido más débil de .0000002 Pascales y 100 Pascales como el máximo a soportar, no corresponde a una línea recta es decir, el oído se comporta con un comportamiento aproximadamente logarítmico en su respuesta. Siendo así, se toma el umbral mínimo como la referencia estándar. Y se aplica una relación de presiones en una escala logarítmica. Dando como resultado el uso práctico de los decibeles (dB) contra el uso de un rango tan amplio en la sensibilidad auditiva con la que contamos. 5 1Pa=1 N'fm2 20dB O.lPa= 0.1 NJm2. r. 76dB 120dB lOOdB. l 2r. !. Referencia de presión para medidas acústicas de nivel de presión sonora en el aire.. flL. Aproximadamente igual al umbral mlnimo de escucha del oido humano. -----¡---------.. 20µPa= 2x10· 5 Nlm 2. lµPa= lµN/m 2. Pascal (Pa)- Una medida de presión correspondiente a la fuerza de 1 newton aétuando uniformemente sobre un área de 1 metro cuadrado, de modo que lPa= 1N/m"2 Fig. 1-3 No está por demás acla,l'ar ahora, que el sonido entonces es energía mecánica que, al ser captada por el oído, se transforrna en energía eléctrica en su interior para llegar a la zona de percepción auditiva del cerebro y entonces es que respondemos d~~ una u otra manera.. 4 5. "Handbook for Sound Engineers" Pág.. 17 cfr. Glosario · ' ·. 8.

(22) Se recordará del apartado 1.1 que la energía y la frecuencia de las vibraciones se transmitían de un líquido a una terminación .nerviosa. Éste el efecto de un transductor: Transformar un tipo de energía a otro. Y es esto justamente lo que hace un micrófono al captar el habla, ya que la transforma en un impulso eléctrico, como lo hace el oído, y después de viajar en esta fonna a través del procesamiento de la señal en el equipo, llega finalmente a una bocina, otro transductor que transforma la energía eléctrica amplificada que le ha llegado en energía mecánica una vez más. ¿Qué factor juega la frecuencia en relación con las vibraciones? Sin damos cuenta usamos las frecuencias de arriba para abajo y nunca nos preguntamos qué con ellas. Sabemos que nuestra estación favorita en la radio se sintoniza a cierta frecuencia y que los micrófonos inalámbricos operan a una determinadafrecuencia. . . . . Y también utilizamos la palabra frecuencia cuando alguien nos pregunta: ¿Con qué frecuencia vas al cine? O ¿con qué frecuencia visitas a tus familiares? · ·' ¿Bueno sí, y esto qué tiene que ver? , Tiene mucho que ver, la frecuencia está en función del tiempo; En el caso del cine podemos contestar; dos veces por mes, en el caso de la familia 20 veces por año. La frecuencia es la regularidad en la que ocí.irre uiffenómeno en cierto tiempo. ·· ' · , Así que la frecuencia a la que nos referimos en Física es:. 1.2.2 Frecuencia del sonido(!) El número de oscilaciones por segundo de la presión sonora se denomina frecuencia del sonido y se mide en ciclos por segundo o más comúnmente en Hertz Hz · - ' .-., · .!'.En suma a ello, la frecuencia multiplicada por el periodo debe ser igual a la unidad. De modo que f=l/t o t =l/f . ,,, ,. Así pues, si la frecuencia es, qué tantas veces por segundo se completó un ciclo de 360°, entonces la frecuencia de 1OOOHz significa que el ciclo se repitió 1000 veces en un segundo. .\~ A continuación se muestran las ondas generadas por distintos instrumentos:. ·'-"'.. V. WJlN\Af!Vil\l<.J~rjlvV\\~!I \Aolín. Fig 1-4 Puede verse que salvo en el caso del diapasón. los sonidos no constan de una sola frecuencia, sino que están constituidos por múltiples frecuencias superpuestas. En el caso de la voz, la música y el ruido, los tonos puros son raramente escuchados. Una nota musical contiene, además de una frecuencia fundamental, tonos más altos que son armónicos de dicha frecuencia. La voz hablada contiene una mezcla de sonidos, algunos de los cuales -no todos- son armónicos entre sí. El ruido consiste de una mezcla de distintas frecuencias dentro de un cierto rango. Diversos ruidos son distinguidos por diferentes distribuciones de energía en los distintos rangos de frecuencia. Se puede conocer entonces, qué frecuencias componen un sonido observando el denominado espectro frecuencia/ del mismo, entendiendo por tal la representación gráfica de las frecuencias que lo integran con su correspondiente nivel de presión sonora.. 9.

(23) CLASIFICACIÓN MF (Médium Frequencies). uso. No.De BANDA 6. Transmisión comercial AM HF (High Freauencies) VHF (Verv High Frequencies). 7 8 Banda baja AM y FM para transmisión inalámbrica en VHF Televisión comercial de banda baja (2 al 6) Transmisión comercial FM Televisión comercial de banda alta (7 al 13) y banda alta de FM para transmisión inalámbrica en VHF. UHF (Ultra Hi_gh Frequencies) SHF (Suoer High Freauencies) EHF (Extremelv High Frequencies). -. 9 10 11 12 13. Transmisión inalámbrica en UHF. -. RANGO FRECUENCIAL 300kHz-3MHz 530-l 700kHz 3-30MHz 30-300MHz 25-50MHz. 54-88MHz 88-108MHz (150)174-216MHz. 300MHz-3GHz 450-952 MHz 3-30GHz 30-300GHz 300GHz-3THz. Tabla 1-1 Esta tabla muestra los rangos de frecuencia determinados en función de sus ciclos por segundo. Su uso puede variar en función del tipo de onda. · Estas bandas son por lo general utilizadas para transmisión de señales y el tipo de onda es electromagnético, viajando a la velocidad de la luz pudiéndose además, transmitir en el vacío.. 1.3 El oído y la percepción del sonido El oído humano es capaz de percibir un rango determinado de frecuencias, y está muy cercano al límite inferior de la escala hertziana. Dentro del intervalo de audibilidad, la sensibilidad del oído varía con la frecuencia. El umbral de audibilidad a cualquier frecuencia es la intensidad mínima de sonido que se puede percibir a esa frecuencia. El espectro sonoro está considerado en un rango de 20Hz a 20 kHz. En la realidad, el límite superior en la escucha de tonos puros está entre 12 y 18 kHz, dependiendo de la edad de la persona y que tan bien han estado sus oídos protegidos contra sonidos de alta intensidad. 6 Las frecuencias arriba de los 20kHz no pueden ser escuchadas como tales, pero el efecto producido por éstas, como un tiempo de subida veloz, sí puede ser escuchado. Aunque existe gente que detecta 20kHz a muy altos niveles, existe evidencia que sugiere que la mayoría de los escuchas no pueden determinar si su límite superior es 20kHz o l 6kHz. 7 Para un adulto joven promedio con audición normal, el umbral de audibilidad a 10001-Iz es, aproximadamente OdB y en los 50Hz y 18,000Hz es de unos 40dB. Por consiguiente, la sensibilidad del oído decae en los extremos bajo y alto de la escala de frecuencias. Por mucho tiempo se llegó a creer que las frecuencias debajo de 40Hz no eran importantes, sin embargo ahora es claro que la reproducción de frecuencias hasta 20Hz mejora ambiente y realismo. ... 6 7 8. lbid Pág. 1426 WATKINSON, JOHN, "The Art of Sound Reproduction", Pág.. 78. ibid. 10.

(24) FRECllENCIA. 2cm acm. LONGITUD DE ONDA(SI). 1 in. llffl-. 5 ctn. 2in. 10 cm. 3in 4 in. 20 ctn. Sin 8 in. 30cm. •• ;i.~ ••••. SO cm. LONGITUD DE ONDA (SIST. INGLÉS). 111. 211. 1m 2m 3m. -~Hl····. ·-100-Ui--··. Sm. 10 ft. 20 lt 30 ft. 10m 15m. 511. --~Q.Hl····. 50ft. Fig. 1-5 Rango de escucha del ser humano. CLASIFICACIÓN ELF (Extremely Low Frequencies) VF (Voice Frequencies) VLF (Very Low Frequencies) LF (Low Frequencies). No.De CARACTERISTICAS BANDA 2 Rango aproximado de la voz humana 3 4 Rango superior de escucha de otros seres 5 vivientes Tabla 1-2. RANGO FRECUENCIAL 30-300Hz 300Hz-3kHz 3-30kHz 30-300kHz. Las ondas sonoras son vibraciones de tipo mecánico que se transportan necesariamente a través' de un medio y que viajan a la velocidad del sonido.. 11.

(25) Nivel. de presión sonora. 60 dB. 40 20 Umbral de escucha. O. 20kHz. lOkHz. 3kHz. 1 kHz 300 Frecuencia IIz. 100. 50. 20. Fig. 1-6. 1.3.J Nivel de sonoridad A las curvas límite superior e inferior de la gráfica anterior se les conoce con el nombre de contorno de sonoridad equivalente -equal loudness contours-. Debido a que Fletcher y Munson de los laboratorios Bell fueron los primeros en trabajar en este campo, también se les conoce como curvas Fletcher-Munson. Sin embargo, los experimentos de Robinson y Dadson llevaron a cabo un refinamiento mayor y éste es reconocido como un estándar internacional (Recomendación ISO 226)9 120 100 Nivel 80 de presión sonora. 60. ~..... !'- ...... ,........._. -. N.IVel d e sono ri<la<l - f onos. ,.... 'r-.... 0-."- ,"r---... ~"' ~ "~r-.. r'-. r----..... 40. 120. .__. 1~. "r-- ...... 'I'. 20. ~. r-...... ....Y ....... ' -. ':--.......... 60. ¡-......~. 50. r-- .._ i-"' .1. 40. "'--. ......_ ......__ ~. '~,.... ...................... ~ r- .._. 100. 1.1. IJ. --. ~. i-"'. ~. .1 ~--. '. .... 1\."'. .1 .... 1\.. 1. 20. :---..... ,_.. ,,, ... ~ -........ 1-"' v..- i'...j,. 1n. !"---. 30. -. lvlínimo Audible. 50. ... - '. 70. 11. 20. ....... V. ........ :--.......... ........... o. --. J. 80 ........ ......_. ..........___ ~ ~ .... , 'r-,r-. .... !'~ ,-.........._. '. 1/. ,, ..... ......... ~. '. ,,. J. ........ 10Ü"' ..... -V[) 90-- ........ V. l"-¡o... ~ ['., ..... ~ ~ ,',. <lB. .__. 1. 300 1 kHz Frecuencia -Hz. ~. J. - ...... v --. 1-"' 1.1. J. ~. .... ~. .._. 3kHz. lOkHz. 20kHz. Fig. 1-7 9. EVEREST, F. ALTON, "The Master Handbook of Acoustics", Pág .. 40. 12.

(26) Por definición, un tono de 1kHz a 20dBsrL tiene un nivel de sonoridad de 20 fones. ,Para dar la misma sensación de sonoridad a 1OOHz, el nivel de presión sonoro tiene que ser aumentado l 7dB. Para dar los mismos 20 fones de sonoridad a 20Hz se requieren 62dBsrL más que para 1kHz. Esto quiere decir que la sensibilidad del oído es mucho menor a frecuencias inferiores a 1kHz. Nótese además, las irregularidades causadas por la resonancia del meato en el oído cerca de los 4kHz y los 13kHz. Por lo general, los oídos de la gente son más sensitivos entre 2 y SkHz y esto está relacionado también con la necesidad innata de la comprensión del habla como veremos más adelante. De estas curvas se hace evidente que la respuesta en frecuencia de nuestros oídos es más uniforme a mayores niveles de presión sonora lo cual, desafortunadamente para el sentido del oído, muchos han optado por escuchar la reproducción de piezas musicales a niveles exageradamente altos.. 1.3.2 Sonoridad Técnicamente hablando, la sonoridad es un término estrictamente subjetivo. No tiene sentido a menos que los humanos estemos envueltos en la cuestión en algún punto. El tém1ino nivel de sonoridad es definido como el nivel de presión sonora a 1kHz, en fones. En cambio la sonoridad se definió por medio de sujetos en términos de sones. Por definición, un son es la sonoridad de un tono de lkHz al nivel de sonoridad de 40 fonos, el único punto donde los fonos y el nivel de presión sonora en dB se cruzan gráficamente.. 100 Nivel de presión. sonon1 dB. 80. 60 40. 30Phons. 20. o 20. 50. 100. 300 lkHz Frecuencia llz Fig. 1-8. 3kHz. lOkHz. 20kHz. 1.3.3 Sonoridad y ancho de banda Parece ser que sonidos de banda ancha, tales como un cohete despegando o un avión dejando la pista, son mucho más sonoros que un tono puro o ruidos de banda estrecha con el mismo nivel de presión sonora. De hecho, ampliar el ancho de banda no incrementa la sonoridad a menos que se exceda el ancho de banda crítico. Después de ese punto, varias bandas críticas son excitadas y la sonoridad se percibe en aumento a medida que se incrementa el ancho de banda.. 13.

(27) 1.3.4 Timbre y altura tonal Para todos aquellos relacionados con la música, hablar de frecuencias quizá no es algo muy común, en cambio el término altura tonal -pitch en inglés- resulta algo de casi todos los días. De igual forma, les será conocido el término timbre, lo que para los que no tocamos instrumento alguno es raro que hablemos de ello. Sin embargo, la mayoría lo hemos usado o escuchado al comentar sobre "el timbre de voz de una persona". 1.3.4.1 Altura tonal- (del inglés pitch) Se entiende claramente que la frecuencia es una medida objetiva, mientras que la altura tonal es su equivalente subjetivo. Queda claro que la primera es independiente del nivel que se le dé. Sin embargo, no ocurre lo mismo con la altura tonal. Esto se ve un poco más claro en la figura. Sostenido. 0.3 0.2. 4 \(."'i. 0.1. o.o. Semitonos. -0.1 -0.2. 40. 50. 70. 60 Nivel de presión sonora. 80 dB. -0.3 90 Bemol. Fig 1-9 La teoría de la localización (en el oído interno) indica que el mecanismo auditivo puede detectar una sola frecuencia de forma bastante precisa como una función del lugar que tome en la máxima vibración de la membrana basilar. Sin embargo, la mayoría de los sonidos periódicos y los instrumentos musicales reales producen una serie de armónicos además de la fundamental. La membrana basilar es excitada en diversos sitios espaciados ante la percepción de un sonido rico en armónicos. Parece ser que el oído está bastante acostumbrado a escuchar armónicos en diversas cantidades y su respectivo patrón regular de excitación. Es el patrón completo el que contribuye a la sensación de altura tonal incluso si las partes individuales varían enormemente en nivel relativo. También la altura tonal esta estrechamente relacionada con el tiempo. En este caso, los filamentos de la membrana reaccionan al tiempo y fase que coinciden con la fundamental. El oído está acostumbrado a dichos patrones y los utilizará en conjunto con aquellos de la localización para poder detenninar la altura tonal adecuada. A muy bajas frecuencias, la localización de máxima vibración no se mueve con la frecuencia, aún así, la sensación de altura tonal sigue presente ya que se sigue utilizando la activación de los nervios basilares. Biológicamente hablando, a medida que la frecuencia fundamental se eleva, se hará más dificil obtener un patrón completo de armónicos, ya que la mayoría caen fuera del rango de audibilidad. La habilidad para detectar la altura tonal es afectada y requiere de más tiempo para operar. En la figura, se muestra la cantidad de ciclos de excitación necesarios para determinar la altura tonal en función de la frecuencia. Se ve además que el desempeño del oído comienza a fallar cerca de los Skl-lz debido a los pocos armónicos audibles que quedan. También falla la detección de fase alrededor de este punto. Es. 14.

(28) .. .. .. ~musicales. interesante notar que lo.s instrumentos evolucionaron deacuerdo a esto, ya que la mayoría de.los 10 instrumentos concluyen las frecuencias fundamentales de sus torios m~s altos debajo de los SkHz.. Número de ciclos. 100 Frecuencia. 1000 Hz. 10000. (En escala logarítmico). Fig. 1-10 1.3.4.2 Timbre y espectro Una medida fisica, mesurable con equipo, es el espectro. Éste se mide con analizadores con un porcentaje constante de ancho de banda (por ejemplo: de 1 Octava, 1/3 de octava) o con un ancho de banda constante. El timbre en cambio, es otra medida subjetiva que debe diferenciarse muy bien del término espectro. La sonoridad de los sonidos difiere de nivel y varía con la frecuencia. La percepción de altura tonal de la fundamental y armónicos o partes de la música cambian también con la frecuencia. La manera en la que un sonido se escucha -su timbre- está relacionado a su espectro sólo a través de una interrelación muy compleja con los factores arriba mencionados. El timbre de un sonido en una sala de conciertos incluso varía con respecto a la posición donde el escucha se encuentre, porque el aire absorbe algunas frecuencias de manera distinta a otras y por el efecto que ocasionan las superficies del recinto. Se trata quizá de uno de los atributos más complejos del sonido, algunos le consideran como la riqueza de un sonido producido. También se le puede ver como un aspecto del sonido o una calidad específica que lo hace distinguible de otros sonidos de mismo volumen y altura tonal. El timbre hace que los instrumentos suenen distintos entre sí aún cuando estén reproduciendo las mismas notas musicales. 11. 1.3.5 Localización del sonido Se trata de un fenómeno biológico que ocurre en todo ser viviente',qÚe cuente con dos orificios que llevan al oído, y mejor aún que cuenten con orejas, y además que exista una distancia relativa entre sí. El humano puede determinar con bastante precisión de dónde proviene ·t;n sonido. El tener un par de oídos genera una serie de mecanismos. · · · '· .. '. º WATKINSON, JOHN, "The Art ofSound Reproduction". 1. 11. Pág.. 90. CEDIA CD, Audio Systems, Acoustic Terms. 15.

(29) .. ... .... Tiempo. ,~ Nivel oldo izq dB. ... Tiempo. \. .. Frecuencia. Nivel oldo der dB. Sombra de altas .--- frecuencias. (b). Frecuencia. 1~--...-t4%.___ . : _ _., 0. •. 1. Desajuste. i. Tiempo. ,._____trans--itorin~-··---+ ...----. (JO.V. ... Tiempo. (e). Fig. l-11 En (a) el desfasamiento será aparente entre dos versiones de un tono percibido por los dos oídos a menos que este tono se encuentre alineado exactamente frente a nosotros o detrás. En (b) el oído distante recibe un "sombreado" de la cabeza resultando de una respuesta reducida comparada con el oído más cercano a la fuente. En (c) un sonido transitorio llega ligeramente más tarde al oído lejano. El efecto de desfasamiento varía en función de la frecuencia. A frecuencias bajas, como por ejemplo 30Hz ( longitud de onda de aprox. 1 1.5 m), la distancia entre orejas de aproximadamente 20cms tendrá un desfasamiento de apenas 6° y esto demuestra que este mecanismo es débil a frecuencias bajas, en cambio para altas frecuencias como IOkHz este desfasamiento crea confusión, debido a que la distancia entre las orejas es de. 16.

(30) varias longitudes de onda de esta frecuencia. Los tonos puros son bastante difíciles de localizar, ya que pueden crear ondas estacionarias en el recinto donde estemos escuchando, provocando falsas impresiones de localización de sonido. Este mecanismo está restringido a frecuencias de longitud mediana para dar un cambio razonable de desfasamiento, en experimentos se ha visto que la frecuencia límite es de l 500Hz. 12 El mecanismo de "ensombrecimiento" está ligado al número de onda sugiriendo que a frecuencias bajas y medias el sonido va a ser difractado 13 alrededor de la cabeza y no existirá diferencia significativa en el nivel entre ambos oidos. Sólo a frecuencias altas es que el sonido es suficientemente direccional para que la cabeza "ensombrezca" al oído distante, esto se conoce como diferencia de intensidad i11tera11ral. A muy altas frecuencias la forma de la pinna (parte exterior del oído como se describió inicialmente) debe tener algún efecto en el sonido en función de la dirección. Se piensa que la pinna permite cierta discriminación en todos los ejes con respecto al canal auditivo. 14 Por fortuna, los sonidos que escuchamos cotidianamente tienen un cierto timbre y un ancho de banda amplio, en especial aquellos que indican peligro, y tampoco son exclusivamente tonos puros. Los sonidos transitorios, de amplio ancho de banda y con timbre difieren de los tonos puros en que éstos contienen distintas frecuencias. La ventaja de este tipo de sonidos es que, debido a su forma de onda aperiódica, no puede haber ambigüedad en el retraso de señal interaural entre dos versiones, además de ser más fáciles de localizar. 15 El cambio de posición de la fuente sonora en 1° con respecto a la original, produce un retraso de señal interaural cercano a los 1O~ts; incluso el menor detectable se encuentra en 6~ts. 16 700 Desajuste SOO de tlempo 500 btteraunll. <ps>. 400 300 200 100. .......~~~. o~-...~-.---,.---...~..--...~-.-__,.--. o. 1o 20 30 40 50 60 70 80 90 Angulo de la t De frente mediana En ángulo recto. t. Fig. 1-12. 1.4 El habla Los órganos que constituyen el denominado tracto vocal son: pulmones, laringe, faringe, cavidad nasal y cavidad bucal. El flujo de aire impulsado por los pulmones pasa por la laringe. La cavidad de la laringe está dividida en dos partes por dos pliegues de mucosa que van de adelante hacia atrás sin que se encuentren en la línea media, por lo que dejan una fisura alargada llamada glotis. Las cuerdas vocales se componen de ligamentos elásticos y fibrosos, situados en la mucosa de los bordes de la apertura glótica. Dicho aire provoca un movimiento rápido de abertura y cierre de las cuerdas (vibración) produciéndose una modulación del flujo de aire.. 12. W ATKINSON, JOHN "The Art of Sound Reproduction", Pág.. 196 ver difracción más adelante 14 cfr. EVEREST, F. AL TON "The Master Handbook of Acoustics", Pág .. 51 15 WATKINSON, JOHN "The Art ofSound Reproduction", Pág.. 197 16 ibid 13. 17.